CN102343528A

CN102343528A - 一种具有微锥塔石英透镜阵列的微成型镜面及加工方法

Info

Publication number: CN102343528A
Application number: CN2011102857985A
Authority: CN
Inventors: 谢晋; 谢海璠; 李萍
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2012-02-08

Abstract

本发明公开了一种具有微锥塔石英透镜阵列的微成型镜面及加工方法，该镜面是在石英基板上设有微锥塔石英透镜阵列，多个微锥塔从纵横向依次成排连接在石英基板上，微锥塔为微小的锥形结构，锥塔角度为35~65度，高度为50~250微米，微锥塔高度为50~250微米，两个相邻微锥塔在横向或者纵向截面上形成V形槽结构，V形槽在底部通过半径为5~40微米的圆弧连接，微锥塔为石英材料加工形成。本发明微锥塔石英透镜阵列结构表面可以吸收周边的散光，将其放在光伏硅上，可以实现光伏硅电池的散光发电。微锥塔石英透镜阵列结构表面可以被加工在厚度为1~3毫米的工作基板上，使工作***更加集成。

Description

一种具有微锥塔石英透镜阵列的微成型镜面及加工方法

技术领域

本发明涉及镜面磨削成型方法，具体涉及一种具有微锥塔石英透镜阵列的微成型镜面及其加工方法；该方法是微细镜面机械加工方法，属于光学制造技术领域、微结构薄膜注塑成型模芯制造领域和光伏硅发电技术领域。

背景技术

光伏硅电池是利用直射的太阳能进行发电的，但是，一年中大多时间是没有太阳光的直射，每天大量散光都不断地被浪费掉。目前，用于光伏硅发电电池只能接受直射的太阳光照射，很难进行无太阳直射的散光发电。因此，在石英薄基板表面上加工出微锥塔阵列结构，且将其界面加工成光滑镜面，形成微锥塔透镜阵列，可以充分吸收周边的散光并将其折射且透射到底部的光伏硅电池上，实现散光发电。

发明内容

本发明的目的在于在光学石英薄基板上提供一种可以吸收周边散光的微锥塔石英透镜阵列，实现光伏硅电池的散光发电；本发明另一目的在于提供上述具有微锥塔石英透镜阵列的微成型光滑镜面机械加工方法，也可以用于注塑成型的钢模芯材料加工成形。

在1~3毫米的石英基板上设有多个微锥塔，从纵横向依次排列，锥塔角度为35~65度，高度为50~250微米，两个相邻微锥塔在横向或者纵向截面上形成V形槽结构，V形槽在底部通过半径为5~40微米圆弧连接。

在制作中，采用高速旋转的青铜金属基1200-2000目金刚石砂轮V形尖端在石英薄基板上，沿着切削方向作直线往复运动，每次进给深度为1~3微米，进给速度为0.2~0.5米/分，逐层加工出直线型的微V槽阵列，再朝垂直方向加工出同样的直线V槽阵列，然后，砂轮工具进行零进给磨削，在砂轮磨粒出刃面与工件间的0~5微米空间内，加入含有0.5~2微米的氧化铈（CeO₂）抛光液，在高速旋转的砂轮工作面驱动下，对工件表面进行弹性弹射抛光，实现微锥塔阵列界面的光滑镜面加工。最后，将微锥塔石英透镜阵列基板放在光伏硅电池上，可吸收周边散光，且将其折射且透射到下面的光伏硅受光面上，实现光伏硅电池的散光发电。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

采用高速旋转的金属基金刚石砂轮V形尖端在光学石英基板的水平面上，作垂直交叉的往复直线运动，金刚石砂轮V形尖端的角度为35~65度，每次进给深度控制在1~3微米，利用垂直交叉的直线行走轨迹逐渐将砂轮V形尖端的形状复制到光学石英基板面上，形成微锥塔阵列空间结构表面，然后进行零磨削，利用砂轮的磨粒出刃面与工件间0~5微米的空间，加入含有0.5~3微米的氧化铈（CeO₂）抛光液，氧化铈磨粒在高速旋转的砂轮工作面的驱动下进行弹性弹射抛光，实现微锥塔结构透镜界面的光滑镜面加工。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

（1）微锥塔石英透镜阵列结构表面可以吸收周边的散光，将其放在光伏硅上，可以实现光伏硅电池的散光发电。

（2）微锥塔石英透镜阵列结构表面可以被加工在厚度为1~3毫米的工作基板上，使工作***更加集成。

（3）目前，微细且复杂的结构空间表面尚无有效的抛光办法。本发明可以将微米级尺度的复杂结构形面加工出光滑镜面。

附图说明

图1为本发明微锥塔透镜阵列结构表面的微成型加工示意图。

图2 微锥塔阵列结构表面的镜面抛光原理图。

图 3利用微锥塔石英透镜阵列结构表面的散光发电原理图。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步地说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

传统的光学石英基板是光滑的，本发明是在石英表面加工出具有微锥塔石英透镜阵列的微成型镜面。如图1、2所示，在石英基板上设有微锥塔石英透镜阵列，多个微锥塔6从纵、横向依次成排连接在石英基板，微锥塔6为微小的锥形结构，锥塔角度α为35~65度，高度为50~250微米，两个相邻微锥塔在横向或者纵向截面上形成V形槽结构，V形槽在底部通过半径为5~40微米圆弧连接。

如图1所示，在具有微锥塔石英透镜阵列的微成型镜面加工时，先采用高速旋转的青铜金属基金刚石砂轮1，利用其V形尖端2，先在光学石英薄基板3的水平面上间隔地作直线往复运动4，且每次给定微米级的进给深度a，形成横向直线V形沟槽5，然后在同一水平面上沿着垂直方向间隔地作直线运动，且每次给定微米级的进给深度a，加工出垂直方向的直线V形沟槽，最终利用两垂直交叉的直线微V槽组合形成微锥塔6。

金刚石砂轮1的粒度为1200~2000目，结合剂为青铜，浓度为100~150（金刚石的含量：4.4~6.6克拉/cm³）。金刚石砂轮V形尖端2的角度即通过砂轮轴心线的截面轮廓的尖端角度，为35~65度，且砂轮V槽尖端2为圆弧形，该圆弧所在圆的半径代表其尖锐性，为3~30微米。每次砂轮的进给深度a为1~3微米，进给速度v _f为0.2~0.5米/分，砂轮转速N为1500~3000转/分，采用水作为冷却液。

图2为微锥塔阵列结构表面的光滑镜面抛光原理图。图中的工件轮廓为通过锥塔尖端7的锥塔阵列空间结构的截面图。其锥塔角度α为相邻两V形沟槽侧面的夹角，等于V形沟槽的角度，其值为35~65度，微锥塔高度等于加工的微V槽5的深度，其值为50~250微米。微沟槽尖端8因工具尖端钝化近似于微小的弧形，其尖锐程度可以用该弧形半径r _v来表示，r _v为5~40微米。

在微米尺度的锥塔阵列空间结构加工成型后，再用砂轮1的V形尖端侧面的磨粒出刃面与锥塔6的侧面近零接触，即不进给（a=0）作零磨削运动。因为在砂轮表面上磨粒出刃尖端的高低不平，所以在砂轮与工件间的0~5微米空间内，加入含有粒度为0.5~3微米的氧化铈（CeO₂）的抛光液，在其中加入碱性物质调节pH值为9~11，在高速的砂轮V形尖端2侧面的驱动下，抛光液中的游离状氧化铈磨粒9在砂轮与工件间发生弹性弹射抛光EEM（研具与工件不接触，通过微磨粒冲击表面，对物质的原子结合产生弹性破坏，以原子级的加工单位去除工件材料，获得无损伤的加工表面），最终将微锥塔石英透镜阵列结构界面加工出光滑镜面。

图3为利用微锥塔石英透镜阵列结构表面的散光发电原理图。在具有微锥塔阵列空间结构表面的石英基板上，分布有许多纳米级粗糙度镜面的微锥塔石英透镜阵列，当在石英基板下放入光伏硅10时，当周围的侧面光11照射到微锥塔石英透镜面上可以被折射且透射到光伏硅10上，而且，反射的光也可以通过微锥塔结构再次折射且透射到光伏硅的工作表面上，实现散光放电。

实施例

在CNC精密机床上采用直径150 毫米的#1200微细金刚石砂轮1，金刚石砂轮的粒度为1200目，结合剂为金属基的青铜，浓度为100（金刚石的含量：4.4克拉/cm³），金刚石砂轮V形尖端角度为60.4度的，砂轮V形尖端的圆弧半径为12.5微米。如图1所示，数控机床驱动金刚石砂轮1的V形尖端2在光学石英基板3上作垂直交叉直线4的往复运动，砂轮每次进给深度a为1微米，进给速度v _f为0.2米/分，砂轮转速N为3000转/分，采用水作为冷却液，最终在石英基板上形成微米尺度的锥塔阵列空间结构。采用白光干涉仪检测加工的锥塔阵列空间结构表面，如图2所示，其微米尺度的锥塔角α为19.8度，高度h为145.2微米，底部V槽尖端 8的圆弧半径r _v为18.8微米。

当进行微锥塔结构表面的微成型加工后，再进行在位零磨削，即使砂轮V形尖端2的侧面与工件的微锥塔6近零接触，在砂轮的磨粒出刃工作面与工件间的0~5微米空间内，加入粒度为2微米的氧化铈（CeO₂）抛光液， pH值调整至9，在高速的砂轮工作面的驱动下，在工具与工件间的氧化铈磨粒9与微锥塔面进行发生弹性弹射抛光，最终将微锥塔石英透镜阵列空间结构的光学界面加工光滑镜面，表面粗糙度R _a为5-10纳米。

本实施例所得具有微锥塔石英透镜阵列的微成型镜面可以利用石英基板表面的微锥塔石英透镜阵列结构将周边的散光11折射且透射到底部的光伏硅10，实现散光放电。

Claims

1.一种具有微锥塔石英透镜阵列的微成型镜面，其特征在于：在石英基板上设有微锥塔石英透镜阵列，多个微锥塔从纵横向依次成排连接在石英基板上，微锥塔为微小的锥形结构，锥塔角度为35~65度，高度为50~250微米，微锥塔高度为50~250微米，两个相邻微锥塔在横向或者纵向截面上形成V形槽结构，V形槽在底部通过半径为5~40微米的圆弧连接，微锥塔为石英材料加工形成。

2.根据权利要求1所述的具有微锥塔石英透镜阵列的微成型镜面，其特征在于：所述石英基板的厚度为1~3毫米。

3.权利要求1或者2所述的具有微锥塔石英透镜阵列的微成型镜面的磨削加工方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）采用旋转的平行金刚石砂轮V形尖端，在石英基板的水平面上沿着切削方向作往复直线运动，每次进给深度为1~3微米，逐渐加工出直线V形沟槽阵列，然后再沿着垂直方向进行同样的加工，两垂直交叉的直线微V槽阵列组合形成微锥塔阵列；砂轮转速为1500~3000转/分，进给速度为0.2~0.5米/分，水冷却；

（1）采用高速旋转的具有V形尖端的青铜金属基金刚石砂轮，先在石英基板的水平面上间隔地作直线往复运动，每次进给深度为1~3微米，形成多条直线V形沟槽，控制V形沟槽的深度为50~250微米；然后在同一水平面上沿着垂直方向作间隔地直线运动，进给深度为1~3微米，加工出垂直方向的直线V形沟槽，控制V形沟槽的深度为50~250微米；利用两垂直交叉的直线微V槽组合形成微锥塔；锥塔角度α为相邻两V形沟槽侧面的夹角，α为35~65度，微锥塔高度h等于加工的微V槽的深度，h为50~250微米；砂轮进给速度v _f为0.2~0.5米/分，砂轮转速N为1500~3000转/分，采用水作为冷却液；

（2）在微锥塔阵列成型后，砂轮在位与锥塔侧面近零接触，进行零磨削，在砂轮磨粒出刃面与锥塔侧面的0~5微米空间内，加入含有粒径为0.5~2微米的氧化铈抛光液，并用碱性物质调节pH值为9~11，在高速砂轮驱动下，游离状氧化铈磨粒与工件发生弹射抛光，逐渐将微锥塔石英界面加工出光滑镜面。

4.根据权利要求所述的具有微锥塔石英透镜阵列的微成型镜面的磨削加工方法，其特征在于金刚石砂轮的粒度为1200~2000目，结合剂为青铜金属基，浓度为100~150，直径为30~300 mm，宽度1~10 mm；金刚石砂轮的轴线截面轮廓尖端角度为35~65度，其尖端为圆弧形，圆弧半径为3~30微米。